基于FPGA的數(shù)字幅頻均衡功率放大器的解決方案

摘要：提出了一種基于FPGA 的數(shù)字幅頻均衡功率放大器的設(shè)計方案。系統(tǒng)在完成基于AD620前級小信號放大電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，分析了阻帶網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性；結(jié)合分析結(jié)果與FIR 濾波算法給出了相應(yīng)的濾波器組成方案。后級功率放大電路采用分立MOS 管實(shí)現(xiàn)。

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，碼間干擾是制約通信質(zhì)量的重要因素。為了減小碼間干擾，需要對信道進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，以減小誤碼率，提高通信質(zhì)量，接收機(jī)中能夠補(bǔ)償或減小接收信號碼間干擾的補(bǔ)償器稱為均衡器。本文提出了一種基于FPGA 的數(shù)字幅頻均衡功率放大器的解決方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計了一種數(shù)字信號幅頻均衡功率放大器的實(shí)現(xiàn)方案。設(shè)計主要由四個模塊組成。分別為小信號放大，帶阻網(wǎng)絡(luò)衰減，數(shù)字信號幅度的均衡處理以及功率放大。其中小信號放大部分由精密度高、噪音系數(shù)小的運(yùn)算放大器AD620 實(shí)現(xiàn)；數(shù)字信號處理部分以FPGA 為處理核心，輔助以A/D、D/A 模塊進(jìn)行模擬信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換；末級功放電路采用分立的MOS管來實(shí)現(xiàn)。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 前置放大電路設(shè)計

前置小信號放大器利用低功耗高精度的儀表運(yùn)放AD620[3]，在運(yùn)放1 管腳和8 管腳之間介入可變電阻來實(shí)現(xiàn)增益可控，以滿足題目中要求放大倍數(shù)不小于400 倍。前級放大電路如圖1所示。根據(jù)AD620 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其增益表達(dá)式如下：

Au=(R1+R2)/RG+1=49.4k Ω / RG+1，其中，RG 的單位為k Ω 。

圖1 AD620 放大電路

2.2 帶阻網(wǎng)絡(luò)的計算

阻帶網(wǎng)絡(luò)電路(詳見賽題)。根據(jù)基爾霍夫定律：

I1=I2+I3 (1)

U1= I1Z1+I3Z3 (2)

I3Z3= I2Z2+ U2 (3)

U2= I2RL=600*I2 (4)

由式(1)(2)(3)(4)得U1 、U2 的關(guān)系：

（其中，Z1、 Z2 、Z3 分別為各諧振網(wǎng)絡(luò)的總阻抗）

采用Tina 仿真軟件中的Signal Analyzer 測得帶阻網(wǎng)絡(luò)輸出信號的幅頻特性如圖2 所示。

圖2 帶阻網(wǎng)絡(luò)輸出信號的幅頻特性

2.3 數(shù)字信號均衡處理模塊電路設(shè)計

均衡技術(shù)的實(shí)質(zhì)是在某種優(yōu)化規(guī)則下完成隨機(jī)信號的最優(yōu)濾波。因此信號的幅頻均衡問題即轉(zhuǎn)變?yōu)闉V波器的設(shè)計問題。在大多數(shù)使用均衡器的通信系統(tǒng)中，信道特性是未知的；并且在許多情況下，信道響應(yīng)是時變的，在這種情況下，應(yīng)將均衡器設(shè)計成對信道響應(yīng)是可調(diào)的；對時變信道，應(yīng)設(shè)計成對信道響應(yīng)的時變是自適應(yīng)的。所以自適應(yīng)均衡器在通信系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。但本賽題中，因為其采用帶阻網(wǎng)絡(luò)模擬實(shí)際的信道，但帶阻網(wǎng)絡(luò)中所有器件參數(shù)均為固定值，不存在時變問題，故設(shè)計的濾波器系數(shù)無需自適應(yīng)。

均衡模塊采用Altera 公司的CycloneII 系列FPGA 作為信號濾波處理的核心； A/D 轉(zhuǎn)換模塊采用TI 的高速8 位A/D 轉(zhuǎn)換器TLC5540，它的最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)每秒40 兆字節(jié)；D/A 模塊采用10 位高速轉(zhuǎn)換芯片THS5651。

為實(shí)現(xiàn)對如圖2 所示的衰減進(jìn)行補(bǔ)償，均衡模塊采用了截止頻率均為400HZ 的低通濾波器和高通濾波器的疊加。濾波器組原理圖如圖3 所示。

2.4 功率放大電路設(shè)計

根據(jù)題目要求,末級功率放大電路采用分立的大功率MOS 管實(shí)現(xiàn),與分立的OCL 低功放相比，MOS 管功放具有激勵功率小，輸出功率大，輸出漏極電流具有負(fù)溫度系數(shù)，安全可靠，且有工作頻率高，偏置簡單等優(yōu)點(diǎn)。電路如圖3所示，以運(yùn)放的輸出作為OCL 的輸入，達(dá)到抑制零點(diǎn)漂移的效果。此方案中用三極管來驅(qū)動MOS 管，集基極間的電容C4、C5 為高頻防振電容。（注：圖中數(shù)據(jù)為參考數(shù)值）

圖3 MOS 管功率放大器

實(shí)際功率低于這個值，通過測量來計算出電路的效率。

3 軟件設(shè)計

Altera 提供了基于Matlab、DSP Builder 的數(shù)字濾波器設(shè)計方法。使用DSP Builder可以方便地在圖形化環(huán)境中設(shè)計FIR 濾波器，而且濾波器系數(shù)可以通過Matlab 的濾波器設(shè)計工具FDATool 計算完成。本文中采用直接I 型來實(shí)現(xiàn)該FIR 濾波器。首先設(shè)計一個系數(shù)可變的4 階FIR 濾波器節(jié)。然后再通過不斷的調(diào)用FIR 濾波器節(jié)，級聯(lián)起來，從而完成高階濾波器設(shè)計。

4 實(shí)驗結(jié)果與結(jié)論

圖4 singaltap 測試結(jié)果

圖 4 為采用嵌入式邏輯分析儀SingalTap 得到的測試結(jié)果。其中，XIN 為由A/D 采樣得到的輸入信號，YOUT 為經(jīng)過均衡程序處理過的輸出信號。從輸出YOUT 可明顯觀測到程序?qū)�輸入信號作出了補(bǔ)償，去除了噪聲，穩(wěn)定了波形，起到了均衡信號的作用。本設(shè)計充分利用 FPGA 在數(shù)字信號處理上的優(yōu)勢，在數(shù)字幅度均衡模塊中以FPGA 為平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號幅度均衡的高速處理。同時本設(shè)計中前級放大電路不僅可以滿足賽題中的各項指標(biāo)，還可以實(shí)現(xiàn)增益的可選擇性，可以在其他小信號放大的場合中運(yùn)用。

來源：維庫開發(fā)網(wǎng)